На основании рассмотренных нами «трех китов» и построено настоящее учебное пособие, которое затрагивает основые функции цифрового наземного вещания, системы для его трансляции и приема, разнообразие сетей доставки видеоконтента, и, наконец, возможности реализации цифрового наземного телевидения в HD-качестве.
В настоящее время существует обширная учебная и учебно-методическая литература по курсам, связанным с изучением телевидения, радиовещания, телевизионных и радиовещательных систем, являющихся хорошим введением в теорию и практику телевидения и отвечающим целям базовой подготовки специалистов в различных областях. Однако, как правило, данные курсы либо изданы малыми тиражами, либо содержат различные аспекты теории телевидения и радио и описание телевизионных и радиовещательных устройств со значительным уклоном в области научных интересов конкретных авторских коллективов. Это требует от студентов значительных затрат времени для того, чтобы выделить из учебного материала, богато дополненного результатами научных исследований, конкретные знания по вопросам учебных программ своих специальностей.
Целью данного учебного пособия является создание компактного инструмента для интенсификации процесса обучения студентов радиотехнических и телекоммуникационных вузов, обучающихся по направлениям 210400 – «Телекоммуникации» и 210300 – «Радиотехника».
Пособие базируется на курсе «Основы радиосвязи и телевидения», который прошел более чем двадцатилетнюю апробацию в КГТУ им. А.Н. Туполева, и современным курсам «Наземные системы и сети телевидения», «Кабельные системы и сети телевидения» и «Спутниковые системы и сети телевидения», прошедшие пятилетнюю апробацию. Курсы постоянно совершенствуются и впитывают в себя передовые технологии телекоммуникаций, Интернет и телерадиовещания. Учебные пособия по данным курсам имеют гриф УМО в области телекоммуникаций.
Для усвоения материала достаточно знаний по математике, оптике, физике, основам теории цепей, аналогового телевидения и радиовещания, построения телекоммуникационных систем и сетей, протоколов Интернет.
В разделах I и II излагаются вопросы стандартов и организации систем и сетей цифрового телевидения и радиовещания, в разделе III рассмотрены основы построения систем IP-телевидения и IP-радиовещания.
Во всех разделах приведены описания, структуры и технические характеристики антенного, станционного передающего и приемного оборудования, линий связи, абонентских узлов.
В начале каждой главы сформированы вопросы для самоконтроля, ответы на которые могут быть дополнительно найдены и расширены по списку литературы, использованной для написания учебного пособия и предлагаемой для дополнительного изучения.
РАЗДЕЛ I.
СТАНДАРТЫ
ЦИФРОВОГО
ТЕЛЕВИДЕНИЯ
DVB
| ГЛАВА 1. | СТРУКТУРА И ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ЦИФРОВОГО ЭФИРНОГО ТЕЛЕВИДЕНИЯ DVB-T |
1.1. Структурная схема кодера и декодера системы
1.2. Принципы построения системы DVB-T
1.2.1. Частотное уплотнение с ортогональными несущими OFDM
1.2.2. Защитный интервал
1.2.3. Оценка параметров
1.2.4. Иерархическая передача
1.2.5. Гибкость системы
1.3. Обработка данных и сигналов в системе DVB-T
1.3.1. Рандомизация
1.3.2. Внешнее кодирование и перемежение
1.3.3. Внутреннее кодирование
1.1. Структурная схема кодера и декодера системы
Ключевые слова европейского стандарта EN 300 744 (Digital Video Broadcasting (DVB), framing structure, channel coding and modulation for terrestrial television): цифровое, видео, вещание, кадровая структура, канальное кодирование и модуляция, наземное телевидение – действительно содержат ключ к расшифровке области применения стандарта.
Документ EN 300 744 описывает систему передачи данных для цифрового наземного телевидения. Передаваемые данные представляют собой информацию об изображении и звуковом сопровождении, а также любые дополнительные сведения. Условие передачи этой информации в системе DVB-T только одно – данные должны быть закодированы в виде пакетов транспортного потока MPEG-2. В этом смысле стандарт описывает контейнер, приспособленный для доставки пакетированных данных в условиях наземного телевидения.
Для системы DVB-T ни содержание контейнера, ни происхождение данных не имеют значения, она лишь приспосабливает выходные данные транспортного мультиплексора MPEG-2 к свойствам и характеристикам канала передачи наземного телевизионного вещания, стремясь наиболее эффективно донести их к приемнику. То есть, стандарт определяет структуру передаваемого потока данных, систему канального кодирования и модуляции для мультипрограммных служб наземного телевидения, работающих в форматах ограниченной, стандартной, повышенной и высокой четкости.
Для обеспечения совместимости устройств различных производителей, стандарт определяет параметры цифрового модулированного радиосигнала и описывает преобразования данных и сигналов в кодирующей части системы цифрового наземного телевизионного вещания (рис.1.1,а). Обработка сигналов в декодере не регламентируется стандартом и остается открытой. Это не означает, что создатели стандарта не предвидели принципов построения приемника DVB-T, но отсутствие жесткого стандарта на декодер обостряет конкуренцию между производителями телевизоров и стимулирует усилия по созданию высококачественных и дешевых аппаратов. Примерный вариант схемы декодера приведен на рис.1.1,б.
1.2. Принципы построения системы DVB-T
Система DVB-T разрабатывалась для цифрового вещания, но она должна встраиваться в существующее аналоговое окружение, поэтому в системе следует обеспечить защиту от интерференционных помех соседнего и совмещенного каналов, обусловленных действующими передатчиками ПАЛ/СЕКАМ. Поскольку речь идет о наземном вещании, то должна быть обеспечена максимальная эффективность использования частотного диапазона, реализуемая в результате оптимального сочетания одиночных передатчиков, многочастотных и одночастотных сетей. Система DVB-T должна успешно бороться с типичными для наземного телевидения эхо-сигналами и обеспечивать устойчивый прием в условиях многолучевого распространения радиоволн. Является желательным создание условий для приема в движении и на комнатные антенны. Все эти требования были выполнены в DVB-T благодаря применению новой системы модуляции OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex – частотное уплотнение с ортогональными несущими).
1.2.1. Частотное уплотнение с ортогональными несущими OFDM.OFDM отличается передачей сигнала с использованием большого количества несущих колебаний. Несущие являются ортогональными, что делает возможной демодуляцию модулированных колебаний даже в условиях частичного перекрытия полос отдельных несущих. Однако многолучевое распространение радиосигнала в точку приема (довольно типичное для наземного телевидения) приводит к ослаблению и даже полному подавлению некоторых несущих вследствие интерференции прямого и задержанного сигналов.
| Рис.1.1. Преобразование сигналов и данных в кодере (а) и декодере (б) DVB-T |
| Обратное внутренне перемежение |
| Аналого-цифровое преобра-зование |
| Усиление и преобра-зование частоты |
| Обратное внешнее перемежение |
| Синхронизация и коррекция сигналов Оценка характеристик канала и данных |
| Программные потоки MPEG-2 |
| Цифро-аналоговое преобра- зование |
| Формирование защитного интервала |
| Формирование модуля-ционных символов |
Решению многолучевой проблемы помогает кодирование с целью обнаружения и исправления ошибок в канале передачи данных.
Применение какой-либо одной системы кодирования не дает желаемого эффекта в условиях наземного телевидения, для которого типично проявление разнообразных шумов, помех и искажений, приводящих к возникновению ошибок с разными статистическими свойствами. В таких условиях необходим более сложный алгоритм исправления ошибок. В системе DVB-T используется сочетание двух видов кодирования – внешнего и внутреннего, рассчитанных на борьбу с ошибками различной структуры, частоты и статистических свойств и обеспечивающих при совместном применении практически безошибочную работу (такой подход типичен и для других сфер, например, для цифровой видеозаписи). Если благодаря работе внутреннего кодирования частота ошибок на выходе внутреннего декодера (рис.1.1,б) не превышает величины 2´10–4, то система внешнего кодирования доводит частоту ошибок на входе демультиплексора MPEG-2 до значения 10–11, что соответствует практически безошибочной работе (ошибка появляется примерно один раз в течение часа).
Кодирование обязательно связано с введением в поток данных некоторой избыточности и соответственно с уменьшением скорости передачи полезных данных, поэтому наращивание мощности кодирования за счет увеличения объема проверочных данных не всегда соответствует требованиям практики. Для увеличения эффективности кодирования, без снижения скорости кода, применяется перемежение данных. Кодирование позволяет обнаруживать и исправлять ошибки, а перемежение увеличивает эффективность кодирования, поскольку пакеты ошибок дробятся на мелкие фрагменты, с которыми справляется система кодирования.
Кодирование превращает OFDM в COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex). Почему же COFDM более эффективна в условиях многолучевого приема, чем системы передачи с одной несущей? Если по каналу связи с резко выраженной неравномерностью частотной характеристики передается одна модулированная несущая, то ослабление отдельных частотных составляющих можно компенсировать с помощью частотного корректора (хотя и за счет уменьшения отношения сигнал/шум), но если какая-нибудь составляющая подавлена полностью, то корректирующий фильтр помочь не может в принципе и сигнал претерпевает необратимые искажения. Однако если данные передаются с помощью частотного уплотнения, то даже полное исчезновение сигналов отдельных несущих не является катастрофой, поскольку данные, переносимые этими несущими, могут быть восстановлены за счет канального кодирования. Контейнер COFDM отлично приспособлен к условиям передачи данных в наземном телевидении благодаря возможности раздельной обработки сигналов большого числа несущих.
1.2.2. Защитный интервал.В системе OFDM данные передаются с использованием некоторого количества несущих колебаний. Если таких несущих много, то поток данных, переносимых одной несущей, характеризуется сравнительно небольшой скоростью, то есть частота модуляции каждой несущей невелика. Однако межсимвольные искажения проявляются и при малой скорости следования модуляционных символов. Для того чтобы избежать межсимвольных искажений, перед каждым символом вводится защитный интервал. Но надо отметить, что защитный интервал – это не просто пауза между полезными символами, достаточная для угасания сигнала символа до начала следующего. В защитном интервале передается фрагмент полезного сигнала, что гарантирует сохранение ортогональности несущих принятого сигнала (но только в том случае, если эхо-сигнал при многолучевом распространении задержан не больше, чем на длительность защитного интервала).
Концепция защитного интервала не является принципиально новой, но использование защитного интервала требуемой величины в цифровом телевидении возможно лишь при использовании частотного уплотнения с большим числом несущих.
1.2.3. Оценка параметров.Выбор параметров системы OFDM связан с обеспечением работы в одночастотных сетях телевизионного вещания, а также с возможностью использования заполнителей пробелов и мертвых зон в области охвата вещанием. Однако на начальном этапе развития цифрового телевидения одночастотные сети найдут небольшое применение из-за необходимости сосуществования с аналоговыми передатчиками и ограничений в распределении частотных диапазонов. Кроме того, в некоторых странах вообще не планируется использование одночастотной сети. Следовательно, система вещания должна допускать наиболее эффективное использование частотного диапазона в рамках уже существующих сетки частот и сети передатчиков.
Величина защитного интервала зависит от расстояния между передатчиками в одночастотных сетях вещания или от задержки естественного эхо-сигнала в сетях вещания с традиционным распределением частотных каналов. Чем больше время задержки, тем больше должна быть длительность защитного интервала. С другой стороны, для обеспечения максимальной скорости передаваемого потока данных защитный интервал должен быть как можно короче. Одна четвертая часть от величины полезного интервала является, видимо, разумной оценкой максимального значения длительности защитного интервала. Предварительные исследования показали, что если одночастотные сети будут строиться в основном с использованием существующих передатчиков, то абсолютная величина защитного интервала должна быть около 250 мкс. Это позволяет создавать большие одночастотные сети регионального уровня.
Если защитный интервал в 250 мкс составляет четвертую часть полезного интервала, то длительность самого полезного интервала должна быть установлена на уровне около 1 мс. Величина шага частот несущих связана с шириной основного лепестка спектра одного модулированного несущего колебания и определяется величиной, обратной длительности полезного интервала, поэтому расстояние между соседними несущими будет равно примерно 1 кГц. При ширине полосы частот канала 8 МГц и шаге 1 кГц число несущих должно быть равно 8000.
Можно задаться вопросом об объеме данных, которые необходимо передавать с помощью одной несущей. Если он окажется слишком велик, то потребуется использовать многопозиционные модулирующие сигналы и помехозащищенность системы будет невелика. Для передачи данных даже в системе ТВЧ достаточно скорости потока данных 20 Мбит/с, в этом случае за 1 мс (время одного символа) должно быть передано 20 кбит, что дает меньше 3 битов на одну несущую за время одного символа. Такая величина может быть реализована с использованием 8-позиционных символов, что дает довольно высокую степень помехозащищенности.
При числе несущих в несколько тысяч возникает естественный вопрос о практической реализации системы OFDM. Применение восьми тысяч синтезаторов несущих колебаний и восьми тысяч модуляторов сделало бы такую систему передачи очень громоздкой. Решение приходит благодаря тому, что модуляция OFDM представляет собой обратное преобразование Фурье, демодуляция – прямое. Существование хорошо отработанных быстрых алгоритмов преобразования Фурье и промышленный выпуск интегральных схем процессоров снимает проблему практической реализации. В большинстве быстрых алгоритмов Фурье размер массива, подвергающегося преобразованию, кратен целой степени числа 2. Поэтому можно использовать, например, размер массива N=8192=8k или N=2048=2k (здесь k=210=1024). На практике число несущих меньше, часть несущих не используется, поскольку между полосами соседних каналов должен быть оставлен некоторый зазор. В двух предложенных в настоящее время режимах используются 6817 и 1705 несущих, но по размерности массива быстрого преобразования Фурье системы модуляции называются соответственно 8k OFDM и 2k OFDM.
1.2.4. Иерархическая передача.Особенность системы DVB-T – возможность иерархической передачи и приема. Данные на выходе мультиплексора транспортного потока расщепляются на два независимых транспортных потока MPEG-2 (рис.1.1,а), которым присваиваются разные степени приоритета. Поток с высшим приоритетом кодируется с целью обеспечения высокой помехозащищенности, поток с низшим приоритетом (обозначен на рис.1.1,а пунктиром) – с целью обеспечения высокой скорости передаваемых данных. Затем оба кодированных потока объединяются и передаются вместе. Таким образом, появляется возможность передачи по одному каналу двух различных программ или одной телевизионной программы в двух версиях. Первая версия характеризуется высокой помехозащищенностью, но ограниченной четкостью, вторая – высокой четкостью, но ограниченной помехозащищенностью. Это дает новые возможности. На стационарную антенну с помощью приемника высокого класса может быть принята версия с высокой четкостью. Но эта же программа будет принята простым и дешевым приемником в варианте с ограниченной четкостью. Помехозащищенная версия будет также приниматься в тяжелых условиях приема, например, в движении, на комнатную антенну. При меняющихся условиях приема возможно переключение приемника с одной версии на другую.
1.2.5. Гибкость системы.Система DVB-T была создана не просто для цифрового наземного телевидения, а для удовлетворение самых разнообразных требований, которые выдвигаются в странах, переходящих к цифровому наземному вещанию. Это вынуждает предусмотреть работу системы в различных режимах, но для сохранения сложности приемников на приемлемом уровне – обеспечить максимальную общность различных режимов.
Для работы одиночных передатчиков и сетей могут использоваться режимы работы с различным количеством несущих. Это обусловлено тем, что одни страны изначально планируют введение больших одночастотных сетей, а другие не предполагают этого делать. Стандарт DVB-T допускает два режима работы: 2k и 8k. Режим 2k подходит для одиночных передатчиков и малых сетей, 8k соответствует большим сетям, хотя он может использоваться и для отдельных передатчиков.
Система DVB-T для достижения гибкости должна допускать обмен между скоростью передачи данных и помехозащищенностью. Введение защитного интервала позволяет эффективно бороться с неблагоприятными последствиями многолучевого приема. Однако платой за большой защитный интервал является уменьшение скорости передачи полезных данных. Для того чтобы сохранить большую скорость передачи данных в ситуациях, где не требуются большие одночастотные сети или не проявляется многолучевое распространение, предусмотрен целый набор возможных значений защитного интервала (1/4, 1/8, 1/16 и 1/32 от длины полезного интервала). Скорость внутреннего кода, обнаруживающего и исправляющего ошибки, может быть установлена равной одной из величин следующего ряда: 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8. В системе DVB-T предусмотрена также возможность изменения числа позиций модулирующего сигнала от 4 до 64.
Поскольку распределение частотных каналов осуществляется в разных странах с различным шагом сетки частот (например, 8, 7 или 6 МГц), то переход от одного шага к другому должен осуществляться сравнительно просто. В системе DVB-T он выполняется путем замены системной тактовой частоты при сохранении всей структуры обработки сигналов.
Выбором комбинации параметров, относящихся к способу модуляции и числу несущих колебаний, скорости внутреннего кода и величине защитного интервала, можно создать систему наземного вещания, работающую в самых разных условиях передачи и приема и обеспечивающую заданную область охвата. Важным фактором является высокая степень общности системы наземного телевизионного вещания DVB-T с другими системами цифрового телевидения: кабельного (DVB-C) и спутникового (DVB-S).
1.3. Обработка данных и сигналов в системе DVB-T
1.3.1. Рандомизация.Рандомизация данных является первой операцией, выполняемой в системе DVB-T (рис.1.1,а). Ее цель – превратить цифровой сигнал в квазислучайный и тем самым решить две важные задачи. Во-первых, это позволяет создать в цифровом сигнале достаточно большое число перепадов уровня и обеспечить возможность выделения из него тактовых импульсов (такое свойство сигнала называется самосинхронизацией). Во-вторых, рандомизация приводит к более равномерному энергетическому спектру излучаемого радиосигнала (как известно, спектральная плотность мощности случайного шума постоянна на всех частотах, поэтому превращение сигнала в квазислучайный способствует выравниванию его спектра). Благодаря равномерному спектру повышается эффективность работы передатчика и минимизируется мешающее действие радиосигнала цифрового телевидения по отношению к аналоговому телевизионному сигналу, излучаемому другим передатчиком в том же канале.
Рандомизации предшествует операция адаптации цифрового потока, представляющего собой последовательность транспортных пакетов MPEG-2 (рис.1.2).
| ____________________ SYNC 1 |
| ____________________ SYNC 1 |
Рис.1.2. Адаптация транспортных пакетов MPEG-2
Пакеты, имеющие общую длину 188 байтов (синхробайт, записываемый как число 47 в шестнадцатеричной форме или 01000111 – в двоичной, и 187 байтов передаваемых данных), объединяются в группы по восемь пакетов. Синхробайт первого пакета группы инвертируется, образуя число 101110002 = B816. Собственно рандомизация осуществляется путем сложения по модулю 2, то есть посредством логической операции «исключающее ИЛИ» (XOR) цифрового потока данных и двоичной псевдослучайной последовательности PRBS (Pseudo Random Binary Sequence).
Генератор последовательности PRBS построен на базе 15-разрядного регистра сдвига, охваченного цепью обратной связи (рис.1.3).
Рис.1.3. Рандомизация данных
Для того, чтобы формируемая последовательность лишь походила на случайную и в приемнике можно было бы восстановить передаваемые данные, в начале каждого восьмого пакета производится инициализация генератора PRBS путем загрузки в него числа 100101010000000. Первый после инициализации бит псевдослучайной последовательности PRBS складывается с первым битом первого байта транспортного потока, следующего за инвертированным байтом синхронизации. Байты синхронизации транспортных пакетов не должны рандомизироваться. Для упрощения работа генератора PRBS не прекращается во время всех восьми пакетов, но в интервале синхробайтов сложение с псевдослучайной последовательностью не производится (для этого используется сигнал разрешения) и синхробайты остаются нерандомизированными. Таким образом, длительность псевдослучайной последовательности оказывается равной 1503 байтам (187+188´7=1503).
Восстановление исходных данных на приемной стороне осуществляется с помощью такого же генератора PRBS, который инициализируется в начале каждой группы из восьми пакетов адаптированного транспортного потока (на начало группы указывает инвертированный синхробайт пакета).
1.3.2. Внешнее кодирование и перемежение.В системе внешнего кодирования для защиты всех 188 байтов транспортного пакета (включая байт синхронизации) используется код Рида-Соломона. В процессе кодирования к этим 188 байтам добавляется 16 проверочных байтов (рис.1.4). При декодировании на приемной стороне это позволяет исправлять до восьми ошибочных байтов в пределах каждого кодового слова длиной 204 байта.
| Проверочные данные 16 байт |
Рис.1.4. Формирование пакетов данных с защитой от ошибок
с помощью внешнего кода Рида-Соломона RS (204, 188)
Внешнее перемежение осуществляется путем изменения порядка следования байтов в пакетах, защищенных от ошибок. В соответствии со схемой, показанной на рис.1.5, перемежение выполняется путем последовательного циклического подключения источника и получателя данных к двенадцати ветвям, причем за одно подключение в ветвь направляется и из ветви снимается 1 байт данных.
| Прямое перемежение данных |
| Обратное перемежение данных |
